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Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage mit einem Bremsscheibenring und einem Bremsscheibentopf, die über Ausgleichselemente miteinander verbunden sind, welche temperaturbedingte Zustandsänderungen zwischen dem Bremsscheibenring und dem Bremsscheibentopf in radialer Richtung zulassen, wobei die Ausgleichselemente über Kopplungselemente einerseits ortsfest und andererseits in radialer Richtung elastisch mit dem Bremsscheibenring verbunden sind.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Bremsanlagen mit konstruktiven Lösungen zur Übertragung eines Drehmoments auf einen Bremsscheibenring in vielfältiger Ausführung bekannt. Insbesondere bei Hochleistungsbremsanlagen, bei denen ein Bremsscheibentopf das Drehmoment auf den Bremsscheibenring überträgt, ist es bekannt, dass der Bremsscheibentopf Ausgleichsmittel aufweist, die den unterschiedlichen Temperaturausdehnungen Rechnung tragen sollen.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 060 440 A1 eine Hochleistungsbremsanlage mit einer Möglichkeit einer radialen Ausdehnung bekannt, und zwar besitzt der Bremsscheibentopf zu diesem Zweck einen äußeren und einen inneren Topfring, welche z. B. über S-förmige Stege miteinander einstückig verbunden sind, sodass dadurch eine temperaturbedingte Bewegung zwischen dem inneren und dem äußeren Topfring möglich ist. Hierbei ist der äußere Topfring mit dem Bremsscheibenring durch Schraubenelemente über an dem Umfang des äußeren Topfrings vorgesehenen, in radialer Richtung verlaufenden Schlitzen verbunden, welche ebenfalls radiale Bewegungen ermöglichen.
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Ferner ist aus der
DE 102 34 104 B3 ein Bremsscheibentopf bekannt, der aus einem Haltering und einem Verbindungsring besteht, wobei letzterer in seinem äußeren Umfang so genannte Biegebalken aufweist, die formschlüssig in den Bremsscheibenring eingreifen und somit eine radiale Wärmeausdehnung kompensieren können.
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In der älteren Anmeldung
DE 10 2007 048 648 A1 ist ferner eine Bremsanlage mit einem Bremsscheibenring und einem Bremsscheibentopf beschrieben, die über umfangsverteilte Befestigungsmittel und Mitteln zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen miteinander verbunden sind. Hierzu ist in dem Bremsscheibentopf jeweils im Bereich der Befestigungsmittel bevorzugt radial und/oder tangential verlaufende, ein definiertes Spaltmaß aufweisende Freischnitte vorgesehen, die im freigeschnittenen Abschnitt jeweils eine zumindest radiale Nachgiebigkeit zwischen Bremsscheibentopf und Befestigungsmittel bzw. Bremsscheibenring herstellen. Als Befestigungsmittel sind Verschraubungen vorgesehen.
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Aus der
DE 1 974 457 U ist eine Bremsscheibe für Bremsscheiben von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei zwischen den Bremsflächen radial zur Drehachse angestellte Stege (Belüftungsschlitze) vorgesehen sind. Die Bremsscheibe selbst besteht aus einem Grundkörper und einer Deckscheibe, die miteinander gekoppelt sind, wobei sowohl der Grundkörper als auch die Deckscheibe aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehen. Alternativ ist vorgesehen, Grundkörper und Deckscheibe aus einer warmfesten Aluminiumlegierung auszubilden.
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Aus der
US 4 273 218 A ist auch eine Bremsscheibe mit einem Bremsscheibenring bekannt, wobei Mittel vorgesehen sind, die aufgrund temperaturbedingter Zustandsänderungen Bewegungen zwischen dem Bremsscheibenring und dem Bremsscheibentopf in Radialrichtung vorgesehen sind. Der Bremsscheibentopf weist federnde Ausgleichselemente auf, mit denen der Bremsscheibenring über Kopplungselemente einerseits ortsfest und andererseits in Radialrichtung elastisch mit dem Bremsscheibenring verbunden ist.
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Nachteile des Standes der Technik
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Alle aus dem Stand der Technik bekannten Hochleistungsbremsanlagen haben jedoch das Problem, dass sich bei einem Bremsvorgang der Bremsscheibenring extrem (bis zur Rotglut) erwärmen kann, sodass die am Bremsscheibenring entstehende Wärme zu einer Ausdehnung, insbesondere zwischen Bremsscheibenring und Bremsscheibentopf, führt.
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Da in der Regel die Bremsscheibentöpfe aus Stahl oder entsprechenden Legierungen bestehen, erfolgt eine gute Wärmeübertragung von dem Bremsscheibenring zu dem Bremsscheibentopf. Dies kann zu entsprechenden Verformungen führen, da insbesondere im Bereich der Verschraubungen zwischen Bremsscheibenring und Bremsscheibentopf bis zu 800°C entstehen können.
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Da die Temperatur des Bremsscheibentopfes von seinem äußeren Ringbereich in Richtung zur Nabe einer Bremsanlage abnimmt, kann ein unerwünschter Wärmeverzug den Bremsscheibentopf wellig verformen, was wiederum negative Auswirkungen auf den Bremsscheibenring hat, da dieser für seine Funktion plan sein muss, sodass sich aufgrund seiner Kopplung mit dem Bremsscheibentopf, diese Welligkeit auf den Bremsscheibenring übertragen kann. Damit ist die geforderte Planheit des Bremsscheibenrings nicht mehr gegeben, was dann letztendlich zu einem so genannten „Rubbeln” des Bremsscheibenrings führen kann. Insbesondere bei Autorennen wird dafür gesorgt, dass durch ein so genanntes Warmrubbeln wieder eine gewisse Planheit der Bremsscheiben erhalten wird. Bei im gebräuchlichen Verkehr genutzten Fahrzeugen dagegen, wird der Fahrkomfort durch ein derartiges Rubbeln jedoch erheblich beeinträchtigt, was aber auch zusätzlich zu einem erhöhten Verschleiß bis hin zur nicht mehr funktionierenden Bremsanlage führen kann.
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In der Regel wird daher der Bremsscheibenring „schwimmend” auf dem Bremsscheibentopf gelagert. Dies bedeutet, dass der Bremsscheintopf sich sowohl radial als auch in Umfangsrichtung zumindest aufgrund einer thermischen Ausdehnung verschieben kann. Dies führt wiederum dazu, dass der Massenschwerpunkt des jeweiligen Bremsscheibentopfes nicht mehr auf der Nabe liegt, wodurch eine Unwucht entstehen kann, und zwar insbesondere bei relativ hohen Drehzahlen der Bremsanlage.
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Zudem wird der Wärmeübergang von dem Bremsscheibenring zu dem Bremsscheibentopf auch noch dadurch begünstigt, indem eine Vielzahl von Kontaktelementen in der Form von Schrauben für deren Verbindung vorgesehen ist. Zwar wird versucht, diese Schrauben mit Isolierkörpern zu umgeben, jedoch ist dadurch der mechanische Kontakt zwischen dem Bremsscheibenring und dem Bremsscheibentopf durch die Schrauben selbst dennoch gegeben. Auch entsprechende Abstandshalter, die dafür Sorge tragen sollen, dass der Bremsscheibentopf nicht unmittelbar am Bremsscheibenring anliegt, bestehen in der Regel aus Stahl, sodass hierüber auf jeden Fall eine Wärmeübertragung erfolgen kann.
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Darüber hinaus ist durch die vorhandene Vielzahl von Kontaktelementen die Montage des Bremsscheibentopfes mit dem Bremsscheibenring relativ aufwendig; dies insbesondere auch deswegen, weil vielfach eine „schwimmende” Lagerung gewünscht wird, welche jedoch anspruchsvolle Toleranzen verlangt.
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Insgesamt handelt es sich somit bei den bekannten Bremsanlagen, und zwar insbesondere im Hochleistungsbereich um sehr aufwendige Konstruktionen, was sich dann auch bei deren Montage durch relativ hohen Zeitaufwand zeigt. Ferner verursacht die Wärmedehnung der jeweiligen Bauteile einer Bremsanlage nicht unerhebliche technische und funktionelle Probleme, die jedoch mit den bekannten Bremsanlagen nur teilweise kompensiert werden können. Schließlich eignen sich die bekannten bzw. beschriebenen Konstruktionen weniger als Schmiedteile hergestellt zu werden, welche temperaturbedingte Zustandsänderungen besser aufnehmen können.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bremsanlage insbesondere für den Hochleistungsbereich zu schaffen, deren temperaturbedingten Zustandsänderungen vor allem im Bereich der Bremstopfanbindung gegenüber dem aufgezeigten Standes der Technik möglichst vollkommen kompensiert werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung dieser Aufgabe führt zum einen die Möglichkeit, bei einer Bremsanlage zur Verbindung zwischen dem Bremsscheibenring und dem Bremsscheibentopf Ausgleichselemente zu verwenden, die umfangseitig am Bremsscheibentopf als elastisch federnde Art Knautschzonen in der Form von sichelförmigen Ausnehmungen oder in der Form von sichelförmigen Armen, die sich in Umfangsrichtung frei abstehend erstrecken, ausgebildet sind , und zum anderen den Bremsscheibentopf aus Aluminium zu fertigen und hier insbesondere aus geschmiedeten Aluminium.
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Hierbei ist es zweckmäßig, dass die sichelförmigen Ausnehmungen des Bremsscheibentopfes als Langlöcher ausgebildet sind, die bezogen auf die Umfangsfläche des Bremsscheibentopfes jeweils durch brückenartige Stege begrenzt sind.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die brückenartigen Stege der in Umfangrichtung des Bremsscheibentopfes sich erstreckenden Langlöcher mittig schwächer ausgebildet sind als ihre Endbereiche.
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Auch ist es möglich, die federnden Ausgleichselemente als mehrere an der Umfangsfläche des Bremsscheibentopfes sich frei in Umfangsrichtung erstreckende sichelförmigen Arme auszubilden, wobei dann die sichelartigen Arme in ihren Endbereichen Aufnahmebohrungen für die Kopplungselemente aufweisen sollten.
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Es ist auch zweckmäßig, dass der Bremsscheibenring zur Aufnahme der Kopplungselemente im Bereich seines Innenkreises mehrere Bohrungen besitzt, sodass für eine ortsfeste Verbindung zwischen dem Bremsscheibenring und dem Bremsscheibentopf die Kopplungselemente in der Form von Schrauben und Muttern, die Schrauben sowohl durch die Bohrungen des Bremsscheibenrings als auch durch die Ausgleichselemente des Bremsscheibentopfes gesteckt und die Muttern an den Schraubenenden festgezogen werden können.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt die Kopplung zwischen dem Bremsscheibentopf und dem Bremsscheibenring erfindungsgemäß über am Bremsscheibentopf federartig wirkende Ausgleichselemente, die elastisch nachgeben können, sodass sich dadurch der Wärmeausgleich in radialer Richtung nicht wie z. B. im Stand der Technik innerhalb einer Führung, einer Nut oder unter Zwischenschaltung weiterer Dämpfungsmittel (z. B. eines hohlen Spannsiftes) vollzieht, sondern radial freibleibend. Die vorliegende Erfindung geht hierbei einen völlig anderen Weg, und zwar verwirklicht sie keine so genannte „schwimmende” Lagerung, sondern schafft zum einen ortsfeste Befestigungspunkte in den Bereichen der Kopplungselemente, und zum anderen eine Art von federnden Knautschzonen für einen radialen Wärmeausgleich. Dies bedeutet, dass der Bremsscheibentopf in den Bereichen der federnden Ausgleichselemente Durchtrittsöffnungen bzw. Bohrungen aufweist, in welche die von der Bremsscheibe kommenden Kopplungselemente z. B. in der Form von Schrauben hindurch gesteckt werden und dann mit entsprechenden Muttern der Bremsscheibenring mit dem Bremsscheibentopf verspannt wird, was gleichzeitig eine ortsfeste Verbindung ermöglicht.
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Die brückenartig ausgebildeten Stege am Umfang des Bremsscheibentopfes begrenzen vorteilhaft jeweils langlochartige Ausnehmungen, sodass Durchtrittsöffnungen für die Kopplungselemente geschaffen sind, an denen dann der Bremsscheibentopf federnd elastisch gelagert ist, d. h. die Stege sind einstückig mit dem Bremsscheibentopf ausgebildet, sodass diese ortsfest quasi angebunden sind und der Bremsscheibentopf sich nur um diesen ortsfesten Punkt entsprechend radial ausdehnen kann. Um dieses federartige Verhalten der Ausgleichselemente zu gewährleisten, können die brückenartigen Stege in der Form von einer Art Balken ausgebildet sein, die dann während einer Wärmeausdehnungsvorgangs auf Biegung beansprucht werden.
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Den Bremsscheibentopf aus Aluminium, insbesondere aus geschmiedetem Aluminium zu fertigen, hat den großen Vorteil, dass aufgrund der höheren Wärmeleitung und somit der geringeren maximalen Temperatur von Aluminium, im Vergleich zu einer Ausführung aus Stahl, die Gefahr von temperaturbedingten Verwerfungen wesentlich geringer ist. Dadurch können auch die bei einem Bremsvorgang am Bremsscheibenring entstehenden Temperaturen zu einem gewissen Grad kompensiert werden können. Auch ist es möglich, den Bremsscheibentopf aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet oder gefräst bzw. gedreht herzustellen. Insgesamt kann durch eine Verwendung von Aluminium statt von Stahl auch eine Gewichtseinsparung erfolgen.
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Um zusätzlich zu vermeiden, dass eine relativ hohe Wärmemenge von dem Bremsscheibenring auf den Bremsscheibentopf übertragen wird, können zwischen diesen Abstandselemente vorgesehen werden, und zwar insbesondere im Bereich der Kopplungselemente. Diese Abstandselemente können vorzugsweise aus Keramik bzw. keramischen Verbindungen bestehen, da dieser Werkstoff nicht bzw. schlecht wärmeleitend ist. Die Übertragung der Bremswärme kann dann im Wesentlichen nur über die Luft auf den z. B. aluminiumgeschmiedeten Bremsscheibentopf erfolgen, d. h. schon allein durch die Wahl des Werkstoffes Aluminium kann eine bestimmte Menge an Wärmeübertragung reduziert werden.
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Insgesamt ist somit eine Bremsanlage geschaffen worden, die im Wesentlichen aus einem Bremsscheibenring und einem Bremsscheibentopf besteht, deren gegenseitige Ankoppelung in radialer Richtung Temperaturausdehnungen zulässt, ohne dass jedoch eine „schwimmende” Lagerung vorgesehen werden muss. Hierbei liegt in Umfangsrichtung eine ortsfeste Ausführungsform vor, sodass auftretende Momente spielfrei übertragen werden können. Somit kann sich erfindungsgemäß die Steifigkeit, die an sich von einer Bremsanlage gefordert wird, adaptiv an die entsprechenden Bedürfnisse anpassen.
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Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen, die nicht einschränkende Beispiele darstellen und in der auf die folgende Zeichnung Bezug genommen wird.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremsanlage mit einem Bremsscheibenring und einem Bremsscheibentopf in einer explosionsartigen Darstellung, wobei der Bremsscheibentopf als Ausgleichselemente sichelförmige Ausnehmungen mit brückenartigen Stegen aufweist,
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2a die Bremsanlage gemäß 1 in einem zusammen geschraubten Zustand, von rechts gesehen als perspektivische Darstellung,
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2b die Bremsanlage gemäß 1 in einem zusammen geschraubten Zustand, von links gesehen als perspektivische Darstellung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremsanlage mit einem Bremsscheibenring und einem Bremsscheibentopf in einer explosionsartigen Darstellung, wobei der Bremsscheibentopf als Ausgleichselemente federnde sichelförmige Arme aufweist,
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4a die Bremsanlage gemäß 3 in einem zusammen geschraubten Zustand, von rechts gesehen als perspektivische Darstellung und
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4b die Bremsanlage gemäß 3 in einem zusammen geschraubten Zustand, von links gesehen als perspektivische Darstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die in 1 als erstes Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung gezeigte Bremsanlage, insbesondere für ein Kraftfahrtzeug – bezeichnet mit 1 – besteht im Wesentlichen aus einem Bremsscheibenring 2 und einem Bremsscheibentopf 3. Letzterer ist über mehrere Kopplungselemente 4 – im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit nur fünf Schrauben 4.1 und fünf Muttern 4.2 – mit dem Bremsscheibenring 2 ortsfest verbindbar bzw. ortsfest verbunden (2a, 2b).
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Für die wenigen Kopplungselemente 4 sind in dem Bremsscheibenring 2 mehrere Bohrungen 5 im Bereich seines Innenkreises vorgesehen, wogegen hiefür an einer Umfangsfläche F des Bremsscheibentopfes 3 mehrere Ausnehmungen 6 für Ausgleichselemente 7 ausgespart und durch jeweils einen brückenartigen Steg 7.1 im Bereich der Umfangsfläche F begrenzt sind. Die Ausnehmungen 6 sind im Längsschnitt als sichelartige Langlöcher 8 ausgebildet, deren brückenartiger Steg 7.1 mittig schwächer ausgebildet ist als an seinen Endbereichen, wodurch dieser eine federnd nachgiebige Eigenschaft erhält.
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Um einen Abstand zwischen dem Bremsscheibenring 2 und dem Bremsscheibentopf 3 herzustellen, sind zusätzlich Abstandselemente 9 vorgesehen, welche auf die Schrauben 4.1 gesteckt werden und die überwiegend aus Keramik bestehen. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass die bei einem Bremsvorgang entstehende Wärmemenge nur in einem geringen Umfang von dem Bremsscheibenring 2 auf den Bremsscheibentopf 3 übertragen werden kann.
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In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bremsanlage 1.1 ebenfalls in einer Explosionsdarstellung gezeigt, welche sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass lediglich der mit 3.1 bezeichnete Bremsscheibentopf auf seiner Umfangsfläche F' andere Elemente für eine federnd elastisch nachgiebige Verbindung mit dem Bremsscheibenring 2 aufweist, aber sonst die Bauteile mit dem Beispiel in 1 übereinstimmen.
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Gemäß 3 sowie im zusammengebauten Zustand gemäß 4a und 4b besitzt die Bremsanlage 1.1 wieder einen Bremsscheibenring 2, der jedoch mit dem abgewandelten Bremsscheibentopf 3.1 kombiniert wird. Der Bremsscheibentopf 3.1 zeichnet sich bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass Ausgleichselemente 10 durch mehrere an der Umfangsfläche F' des Bremsscheibentopfes 3.1 sich frei in Umfangrichtung erstreckende sichelförmige Arme 10.1 ausgebildet sind, welche in ihren Endbereichen Aufnahmebohrungen 11 für die Kopplungselemente 4 in der Form der Schrauben 4.1 besitzen.
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Funktionsweise
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Bei einem Bremsvorgang mit der erfindungsgemäßen Bremsanlage 1 bzw. 1.1 erwärmt sich zuerst der Bremsscheibenring 2 je nach Stärke der Abbremsung auf eine bestimmte Temperatur, wobei die dabei entstehende Wärmemenge zumindest teilweise an den mit dem Bremsscheibenring 2 ortsfest verbundenen Bremsscheibentopfes 3 bzw. 3.1 übergeht, wodurch zwischen diesen Wärmespannungen entstehen können, die dann schädliche Verwerfungen mit sich bringen.
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Diese Wärmespannungen können zum einen durch das Einsetzen der wenig bis gar nicht wärmeleitenden Abstandshalter 9 reduziert werden, und zum anderen durch die erfindungsgemäßen Ausgleichselemente 7 bzw. 10 in der Form der sichelförmigen Ausnehmungen 6 mit den brückenartigen Stegen 7.1 bzw. der sichelartigen Arme 10.1. Mit diesen Ausgleichselementen 7 bzw. 10 ist der Bremsscheibentopf 3 bzw. 3.1 mittels der Kopplungselementen 4 an entsprechenden ortsfesten Festpunkten P bzw. P' mit dem Bremsscheibenring 2 verbunden, wobei gleichzeitig von diesen Festpunkten P bzw. P' aus eine radiale Ausdehnung in Richtung R, und zwar entgegen der Federkraft der Ausgleichselemente 7 bzw. 10 in der Form der brückenartigen Stege 7.1 bzw. der sichelartigen Arme 10.1 möglich ist, sodass vorteilhaft mögliche Verwerfungen der aneinander grenzenden Bremsanlagenbauteile in der Form des Bremsscheibenrings 2 und des Bremsscheibentopfes 3 bzw. 3.1 vermieden werden kann, was die Funktion bzw. Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Bremsanlage wesentlich verbessert bzw. verlängert.
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Schließlich können die Wärmespannungen auch noch dadurch reduziert werden, indem zumindest der Bremsscheibentopf 3 bzw. 3.1 aus Aluminium gefertigt wird, wobei sich insbesondere der Bremsscheibentopf 3.1 gut als Aluminiumschmiedeteil eignet, welches darüber hinaus gegenüber einem Frästeil Wärmespannungen besser übertragen kann. Neben der Gewichtseinsparung zeichnet sich diese Werkstoffwahl auch noch durch eine gegenüber Stahl höhere Wärmeleitung aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Bremsanlage
- 1.1
- Bremsanlage
- 2
- Bremsscheibenring
- 3
- Bremsscheibentopf
- 3.1
- Bremsscheibentopf
- 4
- Kopplungselement
- 4.1
- Schraube
- 4.2
- Mutter
- 5
- Bohrung
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Ausgleichselement
- 7.1
- brückenartiger Steg
- 8
- Langloch
- 9
- Abstandselement
- 10
- Ausgleichselement
- 10.1
- sichelartige Arm
- 11
- Aufnahmebohrung
- F
- Umfangsfläche
- F'
- Umfangsfläche
- P
- Festpunkt
- P'
- Festpunkt
- R
- Radialrichtung